基于CAN總線的混合動力汽車狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)*（續(xù)1）

彭朝亮 馮國勝 李曉楠 張小榮

（石家莊鐵道大學）

隨著汽車數(shù)量的顯著增加，化石燃料的消耗也不斷的增加，同時帶來汽車尾氣的大量排放，給環(huán)境帶來沉重的負擔，因此人們也更加重視能源的高效利用和新型汽車的研發(fā)。混合動力汽車具有節(jié)能和低排放等特點[1]。文章針對混合動力汽車狀態(tài)實時監(jiān)測與通信布線，解決了電子控制系統(tǒng)在電子元器件過多的情況下的內部線路布置、多路采集及通信問題，并運用與上位機實時通信，實現(xiàn)了快捷有效地顯示采集的狀態(tài)信息。充分利用CAN總線網(wǎng)絡實時性好、可靠性高及高性能的特點[2]，提升了混合動力汽車多狀態(tài)的實時監(jiān)測性能。

1 CAN總線

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議下OSI模型的最下面2層，即數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，應用CAN2.0B協(xié)議下的29位標識符的幀通信，如圖1所示，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗及優(yōu)先級判別等項工作。CAN總線可以多種方式工作[3]，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，并且可分成不同的優(yōu)先級，滿足不同的實時要求[4]。文章應用2塊DSP2812芯片作為CAN總線通信間傳輸?shù)墓?jié)點，如圖2所示。

圖2 CAN總線通信的物理連接關系圖

2 系統(tǒng)整體設計

混合動力汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括主控單元、信號采集模塊、CAP捕獲模塊、eCAN通信模塊及SCI串口通信等模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和CAN通信，同時該系統(tǒng)應用LabVIEW作為上位機軟件，與主控單元DSP2812之間通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)信號和工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。

狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)采用CAN總線通信，用2塊DSP2812作為控制芯片，分別作為發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點，進行CAN總線數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)中發(fā)送節(jié)點采集混合動力汽車電池組和發(fā)動機信號，通過設置eCAN模塊、3路發(fā)送電流、電壓及轉速數(shù)據(jù)。接收節(jié)點獲取數(shù)據(jù)，然后通過SCI模塊串口通信發(fā)至上位機上，并用LabVIEW軟件界面實時顯示，完成設計和搭建混合動力汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。最后通過試驗驗證該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)CAN總線通信下的實時狀態(tài)監(jiān)測。本系統(tǒng)的整體設計框圖，如圖3所示。

圖3 基于CAN總線狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設計框圖

3 硬件設計

3.1 DSP最小系統(tǒng)設計

文章中控制系統(tǒng)的主控芯片采用了DSP2812，是功能強大的TMS320F2812的32位定點DSP，它不僅具有高速的數(shù)字信號處理能力，而且還具有完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被廣泛地應用在各種工業(yè)控制場合。DSP的最小系統(tǒng)指的是由DSP正常工作所必要的硬件系統(tǒng)，包括時鐘電路、電源電路、復位電路、JTAG接口電路及其他硬件接口電路[3]。利用DSP2812芯片的內部振蕩器構成時鐘電路，在DSP2812芯片的X1和X2/CLKIN引腳之間加入一個晶振，選用30 MHz的無源晶振，配合DSP內部鎖相環(huán)PLL模塊使能，可達到150 MHz的主頻[5]。DSP的最小系統(tǒng)結構圖，如圖4所示。本系統(tǒng)根據(jù)功能需要，其他硬件接口分別連接ADC采集模塊、CAP捕獲模塊、eCAN通信模塊及SCI串口通信等模塊外設，以便完成信號采集與通信。

圖4 DSP2812最小系統(tǒng)結構圖

3.2 CAN總線接口與SCI串口模塊

由于DSP2812芯片內嵌了CAN控制器模塊，因此只需要配CAN收發(fā)，用作eCAN模塊與外部總線的物理接口電路即可[6]。總線上的CAN信號通過CAN物理接口上的CANL和CANH兩端接入系統(tǒng)，輸入到CAN收發(fā)器內，并得到DSP能夠識別的TTL信號，從CAN收發(fā)器D和R端分別輸出，最終輸入到DSP2812上的CANTX和CANRX端。按照上面原理圖將2個DSP板的CAN總線處對應連接在一起就可以實現(xiàn)CAN的互發(fā)通信了，如圖5所示。

圖5 CAN總線通訊接口電路圖

串行通信接口SCI，具有接收和發(fā)送2根信號線的異步串口。DSP2812內部具有SCIA和SCIB 2個相同的SCI模塊，每一個SCI模塊都各有一個接收器和發(fā)送器，支持CPU與采用標準格式的異步外圍設備之間進行數(shù)字通信。本系統(tǒng)設計RS-232接口作為SCI模塊物理接口，RS-232是個人計算機上的通訊接口之一，以9個引腳串口通信搭建，完成上位機LabVIEW軟件與DSP2812中SCI串口模塊的通信連接，如圖6所示。

圖6 RS-232串口通信接口電路圖

3.3 信號調理電路設計

混合動力汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要是采集汽車的實時信號，并進行CAN總線通信。準確地采集汽車的電壓、電流及轉速等信號是系統(tǒng)正常運行的基礎。設計采集模塊與信號調理電路，是保證通信準確的關鍵。在DSP2812中，包含了一個具有16通道12位分辨率流水線結構的AD轉換器[5]。ADC模塊的模擬電壓輸入范圍是0～3 V，分辨率高且要求精準，所以在進行硬件設計時，增添二級濾波電路，以保證過濾干擾，準確采集數(shù)據(jù)；增添過壓保護電路，以增加整套系統(tǒng)關于采集電壓電流方面的安全性。如圖7a和圖7b所示。

DSP2812內部EV模塊中的捕獲單元（CAP），其功能是捕獲外部輸入方波信號的上升沿或下降沿，即對信號高低電平的變換時刻產(chǎn)生動作，捕獲單元通過記錄信號變化的間隔和個數(shù)，結合軟件算法完成對輸入信號的測量。在本設計中，圖7示出發(fā)動機轉速信號的調理電路，該電路通過光電耦合器，實現(xiàn)當輸入端為高電平時，輸出端為0；當輸入端為低電平時，輸出端為3.3 V，經(jīng)調理后的信號直接輸入到DSP的捕獲單元接線端，如圖7c所示。

圖7 發(fā)動機轉速信號調理電路圖

4 功能實現(xiàn)及軟件設計

混合動力汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)，主要功能在2塊DSP2812的實現(xiàn)，分別作為CAN總線的采集發(fā)送節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點。在Code Composer Studio 3.3開發(fā)環(huán)境下設計編寫2個程序[5]。采集發(fā)送節(jié)點DSP2812上運行的CAN-send程序，應用AD采集模塊、CAP捕獲模塊及eCAN通信模塊。接收節(jié)點DSP2812上運行的CAN-accept程序，應用eCAN通信模塊和SCI串口通信，編寫LabVIEW串口與顯示程序，完成信息接受與上位機LabVIEW串口通信，實現(xiàn)實時顯示。

4.1 CAN發(fā)送節(jié)點程序

DSP2812集成了CAN總線模塊，按照其規(guī)定對相關的寄存器進行設定，即可完成數(shù)據(jù)傳輸[2]。編寫CAN-send流程圖，如圖8所示。定義8bit 3路信號傳輸，用來傳輸電池組電流電壓和發(fā)動機的轉速。郵箱1～3設定為發(fā)送郵箱，設定好ID和數(shù)據(jù)位數(shù)，如表1所示。同時設置AD采集模塊和CAP捕獲單元，完成對電流電壓和轉速的采集。AD轉換器將模擬量轉換成可供處理器識別進而進行控制的數(shù)字量，設置2路AD采集，分別為adc[0]和adc[1]，分別儲存電壓和電流，傳遞給CAN總線寄存器。轉速測量模塊，以T型法測速為原理，脈沖信號傳輸給DSPF2812的輸入捕獲單元，運用DSP2812事件管理器EVA模塊的通用計數(shù)器（T1）在1個周期內對已知頻率的高頻時鐘脈沖進行計數(shù)，最后通過計算得到轉速值。通過CAN模塊設置，將電壓、電流及轉速數(shù)據(jù)分別寫入到郵箱1～3，然后啟動發(fā)送（TransSignal=1為發(fā)送信號），實現(xiàn)CAN發(fā)送通信。

圖8 CAN發(fā)送節(jié)點程序流程圖

表1 CAN通信郵箱ID和數(shù)據(jù)長度

（待續(xù)）